在能源科學(xué)的前沿，科學(xué)家們正致力于將核聚變這一清潔能源夢想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。然而，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)并非易事，其中一項(xiàng)重要的技術(shù)挑戰(zhàn)在于，選擇和開發(fā)能夠承受極端工作條件的面向等離子體材料（Plasma-Facing Material, PFM），這些苛刻條件包括極高的溫度、持續(xù)的中子、電子、帶電離子和高能輻射的沖擊。
目前已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可的面向等離子體材料是鎢。鎢作為自然界中熔點(diǎn)最高的金屬（熔點(diǎn)3422℃），具有極高的密度、良好的熱導(dǎo)率、優(yōu)異的抗輻射性能和抗濺射性能，這些特性使其在高溫環(huán)境下能夠保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和性能，成為核聚變反應(yīng)堆中第一壁和偏濾器等關(guān)鍵部件的首選材料。鎢作為面向等離子體材料，已經(jīng)成功應(yīng)用在了多個核聚變研究裝置中，如法國WEST（全鎢偏濾器托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置），歐洲ITER（國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆）以及中國EAST（東方超環(huán)，全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置）等。
EAST全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，中鎢在線 攝
盡管如此，鎢的高溫易氧化和脆化問題仍在限制其在高熱負(fù)荷區(qū)域的應(yīng)用。為了克服這一局限，科學(xué)家們一方面正在積極研究先進(jìn)鎢材料的增韌技術(shù)，另一方面也在不斷探索新的替代方案，尋找非鎢的面向等離子體材料。
瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）MARVEL實(shí)驗(yàn)室的研究人員致力于通過理論和計(jì)算方法，尋找能夠承受核聚變極端條件的材料，以替代現(xiàn)有的鎢材料。他們開發(fā)了一種大規(guī)模篩選潛在面向等離子體材料的方法，并列出了一系列最有前景的候選材料。相關(guān)成果以《Comprehensive Screening of Plasma-Facing Materials for Nuclear Fusion》為題發(fā)表在《PRX Energy》期刊上。
東方超環(huán)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置模型，中鎢在線 攝
研究人員首先通過Pauling文件數(shù)據(jù)庫，一個包含大量已知無機(jī)晶體結(jié)構(gòu)的大型集合，篩選出具有足夠耐熱性能以在反應(yīng)堆溫度中存活的材料。他們考慮了材料的熱容量、熱導(dǎo)率、熔點(diǎn)和密度等關(guān)鍵性質(zhì)，并計(jì)算了每種材料在熔化前的最大厚度，從而對其進(jìn)行排名。對于那些無法計(jì)算最大厚度的材料，他們采用了Pareto優(yōu)化方法進(jìn)行排名。
經(jīng)過初步篩選，研究人員得到了71種候選材料。隨后，他們通過查閱文獻(xiàn)，排除了那些已經(jīng)被測試并淘汰或具有在核聚變反應(yīng)堆中無法使用的性質(zhì)的材料。例如，一些最近被提出應(yīng)用于核聚變反應(yīng)堆的創(chuàng)新材料，如高熵合金，就在這一階段被淘汰。
21種最佳面向等離子體材料候選，Andrea Fedrigucci等
最終，研究人員確定了21種最有前景的材料，并應(yīng)用密度泛函理論（DFT）工作流程計(jì)算了這些材料的兩個關(guān)鍵性質(zhì)：表面結(jié)合能和氫間隙形成能，這兩個指標(biāo)分別衡量了從表面提取原子的難易程度以及晶體結(jié)構(gòu)中的氚溶解度，是衡量材料是否適合作為核聚變反應(yīng)堆面向等離子體材料的重要指標(biāo)。
在最終排名中，除了鎢及其碳化物（碳化鎢，WC和W2C）、金剛石、石墨、氮化硼以及過渡金屬（如鉬、鉭和錸）等已經(jīng)過廣泛測試的材料外，還有一些令人驚訝的新發(fā)現(xiàn)，如氮化鉭的特定相以及其他基于硼和氮的陶瓷材料，這些材料此前從未被測試過用于核聚變應(yīng)用。
根據(jù)最終排名，面向等離子體材料的最佳候選者是金剛石，其熱性能和氫間隙形成能優(yōu)于大多數(shù)替代品，但是其低于石墨的抗物理濺射能力和氫滯留問題將是其成為面相等離子材料研究中難以攻克的瓶頸。曾經(jīng)被研究過的金剛石和類金剛石碳作為涂層的應(yīng)用方案可能更具吸引力，但是過往的研究文獻(xiàn)中缺少對偏濾器區(qū)域等離子體通量下金剛石侵蝕率的實(shí)際估計(jì)。而金剛石復(fù)合材料的應(yīng)用則需要進(jìn)一步研究降解過程對偏濾器條件下金剛石熱性能和晶粒內(nèi)氫溶解度的影響。
未來，MARVEL實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以更精確地模擬材料在反應(yīng)堆中的實(shí)際情況，包括中子的相互作用等復(fù)雜過程。這將有助于進(jìn)一步篩選和優(yōu)化面向等離子體材料，為核聚變清潔能源的商業(yè)化應(yīng)用提供更多可能。
